CN106226907A - 一种vr显示装置及头戴式vr显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种VR显示装置和头戴式VR显示设备，具有小体积、大视角以及校正色差的特点，VR显示装置包括：双球面棱镜和显示屏；双球面棱镜包括第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元；第一透镜单元靠近显示屏，第一透镜单元与显示屏同轴设置，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴相交；第一透镜单元和第二透镜单元均为球面透镜；反射单元位于第一透镜单元与第二透镜单元之间，反射单元上镀有反射材料以形成一反射面，以使来自显示屏的虚拟现实图像光从第一透镜单元透射后，在反射面上发生反射，发生反射的图像光从第二透镜单元透射后形成一放大的虚像。
Description
技术领域
本发明实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种VR显示装置及头戴式VR显示设备。
背景技术
VR(Virtual Reality)，即虚拟现实显示技术，综合了计算机图形技术，计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，它在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境，能使用户具有身临其境的沉浸感，具有与环境完善的交互作用能力，并有助于启发构思。头戴式虚拟现实显示设备利用头盔显示器将人跟外界的视觉听觉封闭，引导用户产生一种身临其境的感觉。
虚拟现实显示设备的原理是：将显示器产生的近处影像通过光学透镜系统拉到远处放大，近乎充满人的视野范围，从而产生沉浸感。由于人眼的视野范围非常的宽，所以为了保证足够视角，由y＝f*tan(w/2)(其中y是物高(屏幕大小)，w为视角，f为焦距)可知，在物高y不变的情况下，采用的整套光学透镜系统的组合焦距一定要足够小，才能保证视角足够大，同时透镜的尺寸不会成为制约视角大小的主要因素，还要保证透镜的尺寸足够大。
为了保证VR头戴式显示设备使用的舒适度，该设备的重量必须足够轻便，同时显示图像的质量也必须足够高，不能有过大的像差产生。目前市面上主要的解决方案是采用单片树脂非球面透镜或者菲涅尔透镜，但是单片透镜虽然能够减轻重量，但是为了保证视野透镜的尺寸无法做小，直径普遍在35-50mm左右，并且为了保证图像的质量，焦距不能过小普遍要大于35mm，这就导致了整个显示设备无论横向还是纵向的尺寸都比较大，带来了极为不良的用户体验。
同时由于采用的是单片透镜，图像畸变，以及色差是无法得到有效校正，因此必须使用软件矫正畸变，增大了处理器的负荷，导致画面出现延迟，甚至可能带来眩晕感。
为了改善用户体验，小型化、轻量化是虚拟显示设备急需解决的问题，本方案提出一种新型成像光路，将有效的减小显示设备体积。
发明内容
本发明实施例提供一种VR显示装置及头戴式VR显示设备，有效的减小头戴式VR显示设备的体积。
本发明实施例提供一种虚拟现实VR显示装置，包括：双球面棱镜(2)和显示屏(4)；
所述双球面棱镜(2)包括第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元；所述第一透镜单元靠近所述显示屏(4)，所述第一透镜单元与所述显示屏(4)同轴设置，所述第一透镜单元的光轴与所述第二透镜单元的光轴相交；
所述第一透镜单元和所述第二透镜单元均为球面透镜；
所述反射单元位于所述第一透镜单元与所述第二透镜单元之间，所述反射单元上镀有反射材料以形成一反射面，以使来自所述显示屏(4)的虚拟现实图像光从所述第一透镜单元透射后，在所述反射面上发生反射，发生反射的图像光从所述第二透镜单元透射后形成一放大的虚像。
进一步地，进一步地，还包括第一透镜(1)，所述第一透镜(1)靠近所述第二透镜单元，并与所述第二透镜单元同轴设置。
进一步地，还包括第二透镜(3)；
所述第二透镜(3)位于所述显示屏(4)和所述双球面棱镜(2)之间，所述第二透镜(3)与所述双球面棱镜(2)结合为双胶合球面棱镜；
其中，所述第二透镜(3)为双凹面透镜，所述第二透镜(3)靠近所述双球面棱镜(2)的一个凹面与所述第一透镜单元的球面(S2)胶合，其中，所述第一透镜单元的球面(S2)为凸面。
进一步地，所述第一透镜(1)为正透镜，所述第一透镜(1)靠近所述第二透镜单元的一面为凸面，所述凸面为非球面；所述第一透镜(1)远离所述第二透镜单元的一面为凹面，所述凹面为非球面或球面。
进一步地，所述第一透镜(1)的焦距为f’，其中，17mm<f’<30mm。
进一步地，所述第一透镜单元的光轴与所述第二透镜单元的光轴垂直，所述反射单元的所述反射面分别与所述第一透镜单元的光轴、所述第二透镜单元的光轴成45°夹角。
进一步地，所述双球面棱镜(2)为所述第一透镜单元、所述第二透镜单元和所述反射单元结合而成的一体结构；或者，
所述双球面棱镜(2)为所述第一透镜单元、所述第二透镜单元分别与所述反射单元胶合而成的双球面胶合棱镜。
进一步地，所述第一透镜单元的球面(S2)和所述第二透镜单元的球面(S1)的曲率相同。
进一步地，所述第一透镜单元的球面(S2)到所述反射面的中心距离，以及所述第二透镜单元的球面(S1)到所述反射面的中心距离，均大于所述显示屏的宽度最大的边。
进一步地，所述第一透镜(1)的凸面和凹面中的至少一个镀有减反膜。
进一步地，所述第一透镜单元的球面(S2)和所述第二透镜单元的球面(S1)的表面镀有相同的减反膜。
进一步地，所述反射面为全反射面，所述反射材料为镀银反射膜或其他金属介质反射膜。
进一步地，所述第二透镜(3)的双凹面均镀有减反膜。
本发明实施例提供一种头戴式VR显示设备，包括上述实施例中的VR显示装置。
上述实施例中，双球面棱镜(2)包括两个球面和一个反射面，将两个球面与一个反射面集合在一个棱镜中，且两个球面的光轴相交于反射单元，即将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元集成在双球面棱镜(2)中，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴相交，其一，使得双球面棱镜(2)具有光线转向作用，实现光线的转向，避免了光学透镜系统单方向长度过长，使光学透镜系统的体积更小，更轻便；其二，将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元集成在双球面棱镜(2)中，能够减少透镜数量和节约透镜的装配空间，实现了整个光学透镜系统的体积小型化。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1a至图4本发明实施例提供的一种VR显示装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种双球面棱镜(2)的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种VR显示装置光路示意图；
图7为本发明实施例提供的一种优选VR显示装置的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种优选VR显示装置的立体结构示意图
图9为本发明实施例提供的一种优选VR显示装置的光路示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有效果更加清楚明白，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明实施例提供一种VR显示装置，如图1a所示，包括：双球面棱镜(2)和显示屏(4)；
双球面棱镜(2)包括第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元；第一透镜单元靠近显示屏(4)，第一透镜单元与显示屏(4)同轴设置，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴相交；
第一透镜单元和第二透镜单元均为球面透镜；反射单元位于第一透镜单元与第二透镜单元之间，反射单元上镀有反射材料以形成一反射面，以使来自显示屏(4)的虚拟现实图像光从第一透镜单元透射后，在反射面上发生反射，发生反射的图像光从第二透镜单元透射后形成一放大的虚像。
上述VR显示装置中，显示屏(4)采用0.7寸或0.5寸屏，显示屏(4)发出的图像光为虚拟现实图像光，随着光学器件尺寸的改变，显示屏(4)的大小还可以采用其他任意适用的尺寸规格。
参照图1a，双球面棱镜(2)为第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元结合而成的一体结构。双球面棱镜(2)包括两个球面和一些斜面，两个球面分别是第一透镜单元的球面(S2)、第二透镜单元的球面(S1)，将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元结合为一体结构，能避免装配误差，有利于VR显示装置的体积紧凑。
第一透镜单元和第二透镜单元均为球面透镜，第一透镜单元可以是凸透镜(如图1a)，也可以是凹透镜(如图1b)，当第一透镜单元的球面为凸面时，会显示屏的尺寸有所限制，不能过大，这样就要求提高显示屏的分辨率，同时产生的色差也较大，因此，为了减小显示屏以及整个显示装置的体积，需要在光学系统中设置透镜进行程度更高的色差校正，如在显示屏和第一透镜之间设置一个用于校正色差的透镜；当第一透镜单元的球面为凹面时，可以适应更大的显示屏，同时可以消除色差。
当然，第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元也可以是单一的透镜，只需将第一透镜单元、第二透镜单元分别与反射单元胶合，即可得到双球面棱镜(2)，双球面棱镜(2)为双胶合棱镜的结构示意图参照图5。
反射单元包括一个斜面，反射单元上镀有反射材料以形成一反射面，是指在反射单元的斜面上镀具有高反射率的薄膜，形成一个反射面。如果第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元是单一的透镜，那么反射单元相当于一个三棱镜，反射单元与第一透镜单元、第二透镜单元的胶合面是指，与三棱镜的斜面相对的两个矩形面，反射单元的反射面是通过三棱镜的斜面上镀具有高反射率的薄膜而形成的。
上述实施例中，双球面棱镜(2)包括两个球面和一个反射面，将两个球面与一个反射面集合在一个棱镜中，且两个球面的光轴相交，即将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元集成在双球面棱镜(2)中，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴相交，其一，使得双球面棱镜(2)具有光线转向作用，实现光线的转向，避免了光学透镜系统单方向长度过长，使光学透镜系统的体积更小，更轻便；其二，将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元集成在双球面棱镜(2)中，能够减少透镜数量和节约透镜的装配空间，实现了整个光学透镜系统的体积小型化。
为了减小双球面棱镜(2)的体积，本发明实施例提供的一种VR显示装置，如图2所示，除了包括双球面棱镜(2)和显示屏(4)，还包括：第一透镜(1)；第一透镜(1)和显示屏(4)不同轴；双球面棱镜(2)包括第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元，反射单元位于第一透镜单元与第二透镜单元之间，第一透镜单元和第二透镜单元均为球面透镜，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴相交；其中，第一透镜单元靠近显示屏(4)，并与显示屏(4)同轴；第二透镜单元靠近第一透镜(1)，并与第一透镜(1)同轴；
反射单元上镀有反射材料以形成一反射面，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴相交于反射单元，以使来自显示屏(4)的虚拟现实图像光从第一透镜单元透射后，在反射面上发生反射，发生反射的图像光依次从第二透镜单元、第一透镜(1)透射后形成一放大的虚像。
为了使双球面棱镜(2)体积又不至于过大，进而减小整个光学透镜系统的体积，双球面棱镜(2)材质选用高折射率，高色散系数材料，如选用折射率nd大于1.7的PMMA玻璃。为了增大光学透镜系统的视场角，需要在第二透镜单元和人眼之间增加焦距尽可能小的透镜，本发明实施例中，增加第一透镜(1)，用来与双球面棱镜(2)配合来调整光学透镜系统的整体焦距，优选方案中，第一透镜(1)为正透镜，并且第一透镜(1)的焦距要尽可能小，但焦距过小会导致像差校正困难。本发明实施例中，第一透镜(1)的焦距的合适范围为：17mm<f’<30mm。
依据实际需要，第一透镜(1)也选用高折射率，高色散系数材料。将双球面棱镜(2)和第一透镜(1)配合，还可降低光学透镜系统的一部分色差，例如，双球面棱镜(2)的第二透镜单元的球面为凸面(沿光线透射方向为凹面)，第一透镜(1)靠近第二透镜单元的面形为凸面，第二透镜单元的凸面与第一透镜(1)的凸面配合，可以减小一部分色差。
优选实施例中，第一透镜(1)为正透镜，第一透镜(1)靠近第二透镜单元的一面为凸面，凸面为非球面；第一透镜(1)远离第二透镜单元的一面为凹面，凹面为非球面或球面。
因第一透镜(1)的光焦度主要由凸面承担，所以凸面曲率较大，所引起的初级，高级像差也较大，该凸面需采用非球面透镜，凹面配合凸面选择面型，如果凸面采用非球面可以使整体像差降至公差范围内，凹面可以采用球面，如果仍较大，或者无法降至合理范围，凹面也需要采用非球面。
第一透镜(1)为采用PMMA制作的非球面透镜，其中，第一透镜(1)的凸面为非球面透镜，可以采用注塑等方式加工制作，使用非球面透镜可以有效的降低球差、彗差、像散。
优选实施例中，第一透镜(1)为PMMA材质的双非球面透镜，即第一透镜(1)的凸面和凹面都是非球面透镜。
当第一透镜单元的球面为凸面时，会显示屏的尺寸有所限制，不能过大，这样就要求提高显示屏的分辨率，同时产生的色差也较大，因此，为了减小显示屏的体积，需要在光学系统中设置透镜进行程度更高的色差校正，如在显示屏和第一透镜之间设置一个用于校正色差的透镜。基于此，本发明实施例提供一种VR显示装置，如图3所示，除了包括双球面棱镜(2)和显示屏(4)，还包括第二透镜(3)。
双球面棱镜(2)包括第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元；第一透镜单元靠近显示屏(4)，第一透镜单元与显示屏(4)同轴设置，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴相交；
第一透镜单元和第二透镜单元均为球面透镜；
反射单元位于第一透镜单元与第二透镜单元之间，反射单元上镀有反射材料以形成一反射面，以使来自显示屏(4)的虚拟现实图像光从第一透镜单元透射后，在反射面上发生反射，发生反射的图像光从第二透镜单元透射后形成一放大的虚像；
其中，第二透镜(3)位于显示屏(4)和双球面棱镜(2)之间，第二透镜(3)与双球面棱镜(2)结合为双胶合球面棱镜；其中，第二透镜(3)为双凹面透镜，第二透镜(3)靠近双球面棱镜(2)的一个凹面与第一透镜单元的球面(S2)胶合，其中，第一透镜单元的球面(S2)为凸面。
当然，第二透镜(3)位于显示屏(4)和双球面棱镜(2)之间时，也可以不与双球面棱镜(2)胶合，第二透镜(3)与第一透镜单元同轴设置。
本发明实施例中，将第二透镜(3)与双球面棱镜(2)结合为双胶合球面棱镜，可减小装配空间，有利于减小VR显示装置的体积。
与上述实施例的VR显示装置相比，增加第二透镜(3)的目的是减小光学透镜系统的色差，其一，第二透镜(3)的两个凹面具有互相抵消色差的作用；其二，第二透镜(3)与双球面棱镜(2)的第一透镜单元的球面(S2)相配合来减小色差。第二透镜(3)与第一透镜单元胶合的一面为凹面，第一透镜单元的球面为凸面，将第一透镜单元与第二透镜(3)胶合之后，第二透镜(3)的负色差与第一透镜单元的正色差互相抵消，进而降低光学透镜系统的整体色差。
为了更好的降低光学透镜系统的整体色差，第二透镜(3)为双凹面透镜，并且两个凹面的曲率相同。
第二透镜(3)采用高折射率、低色散玻璃。为了得到结构更加紧凑的光学组件，第二透镜(3)与双球面棱镜(2)组成双胶合球面棱镜，即第二透镜(3)的凹面与第一透镜单元的凸面紧密贴合，可以有效降低光学透镜系统色差，两者的色散系数相差越大，越利于色差校正，同时两者胶合在一起，更利于装配，降低装配公差。
下面对以上几种VR显示装置中的显示屏(4)，第一透镜单元、第二透镜单元，反射单元，第一透镜(1)，第二透镜(3)分别进行说明。
上述VR显示装置中，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴相交，具体的，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴可以垂直，也可以不垂直。
优选的实施例中，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴垂直，反射单元的反射面分别与第一透镜单元的光轴、第二透镜单元的光轴成45°夹角。参见图4和图5。这样显示屏位于纵向方位，第二透镜单元以及第一透镜(1)就可以位于横向方位，人眼靠近第一透镜(1)，则人眼也位于横向方位，反射单元的反射面为沿纵向或横向倾斜45°的斜面。第二透镜单元、第一透镜(3)的光轴与显示屏不同轴，反射面实现光路的调整，避免了光学透镜系统单方向长度过长，使光学透镜系统的体积更小，更轻便。
上述VR显示装置中，显示屏采用0.7寸或0.5寸屏，随着光学器件尺寸的改变，显示屏的大小还可以采用其他任意适用的尺寸规格。
上述VR显示装置中，双球面棱镜(2)选择高折射率、高色散系数玻璃来制作，优选的，双球面棱镜(2)为第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元结合而成的一体结构，如图1a和图1b。第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元结合为一体结构，能避免装配误差，有利于VR显示装置的体积紧凑。
可选的，上述VR显示装置中，双球面棱镜(2)也可以为第一透镜单元、第二透镜单元分别与反射单元胶合而成的双球面胶合棱镜。例如，如图2所示，第一透镜单元为第一平凸透镜，第二透镜单元为第二平凸透镜，反射单元为一个等腰直角棱镜，反射面为等腰直角棱镜的斜面，第一平凸透镜的平面与等腰直角棱镜的一个矩形直角棱面胶合，第二平凸透镜的平面与等腰直角棱镜的另一个矩形直角棱面胶合，使得第一平凸透镜的光轴与第二平凸透镜的光轴相交于等腰直角棱镜的斜面，形成一个双胶合棱镜，若第一平凸透镜的凸面和第二平凸透镜的凸面为球面，则形成的双胶合棱镜为双球面胶合棱镜。
第一透镜单元的球面(S2)为凸面，使得来自显示屏的虚拟现实图像光经第一透镜单元的凸面后成放大的虚像，第一透镜单元的凸面还可以校正一部分像差。第二透镜单元的球面(S1)为凸面，使得虚拟现实图像在反射面反射后，经第二透镜单元的球面(S1)时，在第二透镜单元的球面(S1)再次被放大。
第一透镜单元的球面(S2)和第二透镜单元的球面(S1)曲率可以相同，也可以不同。
优选的，上述VR显示装置的双球面棱镜(2)中，第一透镜单元的球面(S2)和第二透镜单元的球面(S1)的曲率相同。
优选的，第一透镜单元的球面(S2)到反射面的中心距离，以及第二透镜单元的球面(S1)到反射面的中心距离，均大于显示屏的宽度最大的边。
优选的，第一透镜单元的球面(S2)和第二透镜单元的球面(S1)的表面镀有相同规格的减反膜，减反膜可以为三层膜架构，最外层可以是增透λ/4波长的氟化镁MgF2、中间层是增透λ/2波长的氧化锆ZrO2，最内层紧靠玻璃基板的是增透λ/4波长的氟化铈CeF3，也可以是其他现成设计好的减反膜，其中λ为可见光波长，比如λ＝550nm，可根据设备的使用环境灵活选择λ值，以提高光的利用率。
因PMMA具有易加工，密度仅为常用玻璃的一半的特点，为保证上述VR显示装置的结构紧凑，缩小体积，同时减轻重量，本发明实施例中的第一透镜(1)、双球面棱镜(2)的玻璃材质选用PMMA，(俗称有机玻璃)。
依据实际需要，双球面棱镜(2)和第一透镜(1)选用高折射率，高色散系数材料，二者配合可部分降低色差，例如，双球面棱镜(2)的第二透镜单元的球面为凸面(沿光线透射方向为凹面)，第一透镜(1)靠近第二透镜单元的面形为凸面，第二透镜单元的凸面与第一透镜(1)的凸面配合，可以减小一部分色差。
第一透镜(1)为正透镜，第一透镜(1)靠近第二透镜单元的一面为凸面，凸面为非球面；第一透镜(1)远离第二透镜单元的一面为凹面，凹面为非球面或球面。因第一透镜(1)的光焦度主要由凸面承担，所以凸面曲率较大，所引起的初级，高级像差也较大，该凸面需采用非球面透镜，凹面配合凸面选择面型，如果凸面采用非球面可以使整体像差降至公差范围内，凹面可以采用球面，如果仍较大，或者无法降至合理范围，凹面也需要采用非球面。
第一透镜(1)为采用PMMA制作的非球面透镜，可以采用注塑等方式加工制作，使用非球面透镜可以有效的降低球差、彗差、像散。例如，第一透镜(1)为PMMA材质的双非球面透镜，第一透镜(1)的凸面和凹面都是非球面透镜。其规格参见表1。其中，表1中的曲率半径、圆锥系数、厚度以及2次系数，4次系数，6次系数，8次系数，10次系数，12次系数，14次系数都是非球面透镜的表征参数。
为减少反射光，增加透光率，第一透镜(1)的通光面，即第一透镜(1)的凸面和凹面可以镀上可见光范围内的减反膜。第一透镜(1)的凸面和凹面中的至少一个镀有减反膜，减反膜可以为三层膜架构，最外层可以是增透λ/4波长的氟化镁MgF2、中间层是增透λ/2波长的氧化锆ZrO2，最内层紧靠玻璃基板的是增透λ/4波长的氟化铈CeF3，也可以是其他现成设计好的减反膜，其中λ为可见光波长，比如λ＝550nm，可根据设备的使用环境灵活选择λ值，以提高光的利用率。减反膜也可以是其他现成设计好的减反膜。
上述VR显示装置中，来自显示屏的图像光从第一透镜单元的凸面透射后会在反射单元的反射面发生全反射，为减少外界杂散光影响，反射面为全反射面，可通过在反射单元上镀全反射膜来形成反射面，反射材料为镀银反射膜或其他金属介质反射膜。
表1
| 凹面 | 凸面 | |
| 面型 | EVENASPH(非球面) | EVENASPH(非球面) |
| 曲率半径 | -22.5348mm | -10mm |
| 圆锥系数 | 3.106648 | 0.231066 |
| 厚度 | 3.987763mm | |
| 2次系数 | -0.013687262 | -0.014468131 |
| 4次系数 | -4.0381658e-005 | -9.912532e-006 |
| 6次系数 | -3.6628571e-005 | -8.0819568e-006 |
| 8次系数 | 1.6001038e-006 | 2.0284088e-008 |
| 10次系数 | 2.988908e-008 | 6.7782227e-009 |
| 12次系数 | -4.3495985e-009 | -1.617931e-010 |
| 14次系数 | 1.2549511e-010 | 9.5454405e-013 |
| 16次系数 | 1.2549511e-010 | -1.7263027e-015 |
为保证整体体积的轻量化，同时具有较好的光学效果，第一透镜(1)的焦距为f’，17mm<f’<30mm，由双球面棱镜(2)和第一透镜(1)所组成的光学透镜系统的体积为18mm*14mm*15mm。这就要求第二透镜单元的球面(S1)中心点与反射面中心点间的距离，以及第一透镜单元的球面(S2)面中心点与反射面中心点间的距离，大于显示屏较长边宽度，但过大会导致整个光学透镜系统的体积大大增加。
为使双球面棱镜(2)体积又不至于过大，双球面棱镜(2)材质选用的玻璃折射率nd大于1.7。另外，与双球面棱镜(2)配合的第一透镜(1)为正透镜，焦距要尽可能小，但焦距过小会导致像差校正困难。
本发明实施例中，第一透镜(1)的焦距为f’，17mm<f’<30mm。为降低加工难度及高级像差，双球面棱镜(2)的两个球面的曲率半径不宜过小，第二透镜单元的球面S1曲率半径的取值范围为：10mm<R<20mm，第一透镜单元的球面S2的曲率半径的取值范围为：10mm<R<20mm。
优选的，第一透镜单元的球面(S2)和第二透镜单元的球面(S1)的曲率半径为R1，10mm<R1<20mm。
由双球面棱镜(2)和第一透镜(1)所组成的光学透镜系统的光路示意图，如图6所示，来自显示屏(4)的虚拟现实图像光从第一透镜单元透射，经第一透镜单元的球面(S2)后成放大的虚像，透射至反射面的虚拟现实图像光在反射面上发生反射(或全反射)，发生反射(或全反射)的图像光依次透射至第二透镜单元的球面(S1)和第一透镜(1)，在第二透镜单元的球面(S1)的凸面再次被放大。因第二透镜单元靠近第一透镜(1)的凸面与第一透镜(1)靠近第二透镜单元的凹面的配合，能够互相抵消一部分色差，使得图像光透过第二透镜单元的球面(S1)和第一透镜(1)后所成的像的色差较小。
上述实施例中，双球面棱镜(2)包括两个球面(即第一透镜单元的球面(S2)、第二透镜单元的球面(S1)和一个反射面，将两个球面与一个反射面集合在一个棱镜中，且两个球面的光轴相交于反射面，即将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元集成在双球面棱镜(2)中，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴相交于反射单元，具有以下效果：
其一，使得双球面棱镜(2)具有光线转向作用，还能通过两个球面校正像差，减小畸变和放大图像，将第一透镜(1)与第二透镜单元的球面(S1)配合，用于降低一部分图像色差，有利于提高成像质量；
其二，第二透镜单元与第一透镜(1)配合减小色差，以及由双球面棱镜(2)和第一透镜(1)组成的光学透镜系统的小焦距，能够增大相同体积的VR显示装置的视场角；
其三，将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元集成在双球面棱镜(2)中，能够减少透镜数量和节约透镜的装配空间，实现了整个光学透镜系统的体积小型化；
其四，第二透镜单元、第一透镜(3)的光轴与显示屏不同轴，实现光线的转向，避免了光学透镜系统单方向长度过长，使光学透镜系统的体积更小，更轻便。
本发明实施例还提供另一种优选的VR显示装置，如图7所示，除了包括第一透镜(1)、双球面棱镜(2)和显示屏(4)之外，还包括：第二透镜(3)；第二透镜(3)位于显示屏(4)和双球面棱镜(2)之间，第二透镜(3)与双球面棱镜(2)结合为双胶合球面棱镜；其中，第二透镜(3)为双凹面透镜，第二透镜(3)靠近双球面棱镜(2)的一个凹面与第一透镜单元的球面(S2)胶合，其中，第一透镜单元的球面(S2)为凸面。其中，第一透镜(1)、双球面棱镜(2)和显示屏(4)的具体内容参见上述实施例，此处不再累述。
本发明实施例中，将第二透镜(3)与双球面棱镜(2)结合为双胶合球面棱镜，可减小装配空间，有利于减小VR显示装置的体积。
增加第二透镜(3)之后，由第二透镜(3)、双球面棱镜(2)和第一透镜(1)所组成的光学透镜系统的立体图如图8所示。
增加第二透镜(3)的目的是减小整个光学透镜系统的色差，第二透镜(3)与双球面棱镜(2)的第一透镜单元的球面(S2)相配合来减小色差，其原理是：其一，第二透镜(3)的两个凹面具有互相抵消色差的作用；其二，第二透镜(3)与第一透镜单元胶合的一面为凹面，第一透镜单元的球面为凸面，将第一透镜单元与第二透镜(3)胶合之后，第二透镜(3)的负色差与第一透镜单元的正色差互相抵消，进而降低光学透镜系统的整体色差。为了更好的降低光学透镜系统的整体色差，第二透镜(3)为双凹面透镜，并且两个凹面的曲率相同。
第二透镜(3)采用高折射率、低色散玻璃。为了得到结构更加紧凑的光学组件，第二透镜(3)与双球面棱镜(2)组成双胶合球面棱镜，即第二透镜(3)的凹面与第一透镜单元的凸面紧密贴合，可以有效降低光学透镜系统色差，两者的色散系数相差越大，越利于色差校正，同时两者胶合在一起，更利于装配，降低装配公差。
进一步地，为了增加光透过率，第二透镜(3)的双凹面可以镀有减反膜，减反膜可以为三层膜架构，最外层可以是增透λ/4波长的氟化镁MgF2、中间层是增透λ/2波长的氧化锆ZrO2，最内层紧靠玻璃基板的是增透λ/4波长的氟化铈CeF3，也可以是其他现成设计好的减反膜，其中λ为可见光波长，比如λ＝550nm，可根据设备的使用环境灵活选择λ值，以提高光的利用率。减反膜也可以是其他现成设计好的减反膜。
增加了第二透镜(3)之后，由第二透镜(3)、双球面棱镜(2)和第一透镜(1)所组成的光学透镜系统的体积小于18*17*19mm，厚度薄于20mm。为保证整体体积的轻量化，同时具有较好的光学效果，第一透镜(1)的焦距为f’，17mm<f’<30mm，由第二透镜(3)、双球面棱镜(2)和第一透镜(1)所组成的光学透镜系统的总焦距为f，其中，12mm<f<17mm，这样使得VR显示装置的体积为18mm*16mm*15mm。这就要求第二透镜单元的球面(S1)中心点与反射面中心点间的距离，以及第一透镜单元的球面(S2)面中心点与反射面中心点间的距离，大于显示屏较长边宽度，但过大会导致整个光学透镜系统的体积大大增加。
为使双球面棱镜(2)体积又不至于过大，双球面棱镜(2)材质选用的玻璃折射率nd大于1.7，另外，与双球面棱镜(2)配合的第一透镜(1)为正透镜，焦距要尽可能小，但焦距过小会导致像差校正困难，优选的，本发明实施例中，第一透镜(1)的焦距为f’，17mm<f’<30mm。为降低加工难度及高级像差，双球面棱镜(2)的两个球面的曲率半径不宜过小，第二透镜单元的球面S1曲率半径的取值范围为：10mm<R<20mm，第一透镜单元的球面S2的曲率半径的取值范围为：10mm<R<20mm。同样为保证有足够空间摆放显示屏的屏幕，以及尽量的降低整个光学透镜系统的像差，第二透镜(3)靠近显示屏一侧的凹面(S3)的曲率半径的取值范围为10mm<R<20mm。
具体的，由第二透镜(3)、双球面棱镜(2)和第一透镜(1)所组成的光学透镜系统中，第二透镜单元的球面(S1)，第一透镜单元的球面(S2)和第二透镜(3)朝向显示屏的凹面(S3)的规格和材质参见表2。
表2
优选的，第一透镜单元的球面(S2)和第二透镜单元的球面(S1)的曲率半径为R1，10mm<R1<20mm。第二透镜(3)靠近显示屏的凹面(S3)的曲率半径为R2，10mm<R2<20mm。
增加第二透镜(3)之后，由第二透镜(3)、双球面棱镜(2)和第一透镜(1)所组成的光学透镜系统的光路示意图如图9所示，来自显示屏(4)的虚拟现实图像光首先入射至第二透镜(3)朝向显示屏(4)的凹面(S3)，然后透射至第二透镜(3)与第一透镜单元胶合的凹面(即与S2胶合的面)，第二透镜(3)的凹面(S3)和第二透镜(3)与第一透镜单元胶合的凹面的配合将虚拟现实图像光的负正色差进行抵消，然后透射至第一透镜单元，在第一透镜单元的球面(S2)成放大的虚像，继续透射至反射面的虚拟现实图像光在反射面上发生反射(或全反射)，发生反射(或全反射)的图像光依次透射至第二透镜单元的球面(S1)和第一透镜(1)，在第二透镜单元的球面(S1)的凸面再次被放大。因第二透镜单元靠近第一透镜(1)的凸面与第一透镜(1)靠近第二透镜单元的凸面的配合，能够互相抵消一部分色差，使得图像光透过第二透镜单元的球面(S1)和第一透镜(1)后所成的像的色差较小。
上述实施例中，双球面棱镜(2)包括两个球面(即第一透镜单元的球面(S2)、第二透镜单元的球面(S1)和一个反射面，将两个球面与一个反射面集合在一个棱镜中，且两个球面的光轴相交于反射面，即将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元集成在双球面棱镜(2)中，第一透镜单元的光轴与第二透镜单元的光轴相交于反射单元，具有以下效果：
其一，使得双球面棱镜(2)具有光线转向作用，还能通过两个球面校正像差，减小畸变和放大图像，将第一透镜(1)与第二透镜单元的球面(S1)配合，用于降低一部分图像色差，有利于提高成像质量；
其二，第二透镜单元与第一透镜(1)配合减小色差，以及由双球面棱镜(2)和第一透镜(1)组成的光学透镜系统的小焦距，能够增大相同体积的VR显示装置的视场角；
其三，将第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元集成在双球面棱镜(2)中，能够减少透镜数量和节约透镜的装配空间，实现了整个光学透镜系统的体积小型化；其四，第二透镜单元、第一透镜(3)的光轴与显示屏不同轴，实现光线的转向，避免了光学透镜系统单方向长度过长，使光学透镜系统的体积更小，更轻便。
另外，在显示屏和第一透镜单元之间增加一个双凹透镜，能够减小整个光学透镜系统的色差，色差的减小和整个光学透镜系统的焦距的减小，使得整个VR显示装置的视场角变大，常规相同体积下的VR显示装置的视场角为40-50°，本发明实施例提供的VR显示装置与常规相同体积下虚拟现实装置相比，视场角可达到60-80°。
综上，本发明实施例的VR显示装置具有消除图像色差、小型化、大视场角和减小图像畸变的特点，VR显示装置呈现给佩戴用户的图像质量得以提升，能够增强使用VR显示装置的用户的沉浸感。在对色差要求不高的情况，为了进一步降低工艺难度，并将光学透镜系统的体积进一步缩小，去除第二透镜(3)，将双胶合棱镜(2)改为双球面棱镜，使双球面棱镜(2)和第一透镜(1)构成一个光学透镜系统，这样光学透镜系统的体积约为18mm*14mm*15mm，光学透镜系统的色差会有部分增加。依据实际需要，双球面棱镜(2)和第一透镜(1)选用高折射率，高色散系数材料，二者配合可部分降低色差。具体的，双球面棱镜(2)的第二透镜单元靠近第一透镜(1)的凸面，与第一透镜(1)靠近第二透镜单元的凸面配合，可以减小一部分色差。
基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种头戴式VR显示设备，包括上述实施例中的任一种VR显示装置，使得本发明实施例的头戴式VR显示设备具有小体积、色差校正以及大视角的特点。
本发明实施例为适应虚拟现实设备小型轻型化，提供的VR显示装置具有结构紧凑、成像高质量的光学透镜系统，常规相同体积下虚拟现实设备的视场角为40-50°，本发明实施例提供的VR显示设备与常规相同体积下虚拟现实设备相比，视场角可达到60-80°。并且本发明实施例提供的VR显示设备具有结构简单，工艺制作难度低，易于量产的特点。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (14)
1.一种虚拟现实VR显示装置，其特征在于，包括：双球面棱镜(2)和显示屏(4)；
所述双球面棱镜(2)包括第一透镜单元、第二透镜单元和反射单元；所述第一透镜单元靠近所述显示屏(4)，所述第一透镜单元与所述显示屏(4)同轴设置，所述第一透镜单元的光轴与所述第二透镜单元的光轴相交；
所述第一透镜单元和所述第二透镜单元均为球面透镜；
所述反射单元位于所述第一透镜单元与所述第二透镜单元之间，所述反射单元上镀有反射材料以形成一反射面，以使来自所述显示屏(4)的虚拟现实图像光从所述第一透镜单元透射后，在所述反射面上发生反射，发生反射的图像光从所述第二透镜单元透射后形成一放大的虚像。
2.如权利要求1所述的VR显示装置，其特征在于，还包括第一透镜(1)，所述第一透镜(1)靠近所述第二透镜单元，并与所述第二透镜单元同轴设置。
3.如权利要求1或2所述的VR显示装置，其特征在于，还包括第二透镜(3)；
所述第二透镜(3)位于所述显示屏(4)和所述双球面棱镜(2)之间，所述第二透镜(3)与所述双球面棱镜(2)结合为双胶合球面棱镜；
其中，所述第二透镜(3)为双凹面透镜，所述第二透镜(3)靠近所述双球面棱镜(2)的一个凹面与所述第一透镜单元的球面(S2)胶合，其中，所述第一透镜单元的球面(S2)为凸面。
4.如权利要求2所述的VR显示装置，其特征在于，所述第一透镜(1)为正透镜，所述第一透镜(1)靠近所述第二透镜单元的一面为凸面，所述凸面为非球面；所述第一透镜(1)远离所述第二透镜单元的一面为凹面，所述凹面为非球面或球面。
5.如权利要求2所述的VR显示装置，其特征在于，所述第一透镜(1)的焦距为f’，其中，17mm<f’<30mm。
6.如权利要求1至3中任一项所述的VR显示装置，其特征在于，所述第一透镜单元的光轴与所述第二透镜单元的光轴垂直，所述反射单元的所述反射面分别与所述第一透镜单元的光轴、所述第二透镜单元的光轴成45°夹角。
7.如权利要求6所述的VR显示装置，其特征在于，
所述双球面棱镜(2)为所述第一透镜单元、所述第二透镜单元和所述反射单元结合而成的一体结构；或者，
所述双球面棱镜(2)为所述第一透镜单元、所述第二透镜单元分别与所述反射单元胶合而成的双球面胶合棱镜。
8.如权利要求7所述的VR显示装置，其特征在于，所述第一透镜单元的球面(S2)和所述第二透镜单元的球面(S1)的曲率相同。
9.如权利要求8所述的VR显示装置，其特征在于，所述第一透镜单元的球面(S2)到所述反射面的中心距离，以及所述第二透镜单元的球面(S1)到所述反射面的中心距离，均大于所述显示屏的宽度最大的边。
10.如权利要求4所述的VR显示装置，其特征在于，所述第一透镜(1)的凸面和凹面中的至少一个镀有减反膜。
11.如权利要求1所述的VR显示装置，其特征在于，所述第一透镜单元的球面(S2)和所述第二透镜单元的球面(S1)的表面镀有相同的减反膜。
12.如权利要求1所述的VR显示装置，其特征在于，所述反射面为全反射面，所述反射材料为镀银反射膜或其他金属介质反射膜。
13.如权利要求3所述的VR显示装置，其特征在于，所述第二透镜(3)的双凹面均镀有减反膜。
14.一种头戴式虚拟现实VR显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至13中任一项所述的VR显示装置。
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